超導體的應用有十分誘人的前景(超導體有什么應用)
本文主要介紹超導體的應用前景非常誘人(超導體的應用是什么)，下面一起看看超導體的應用前景非常誘人(超導體的應用是什么)相關資訊。
超導體的發現年齡和臨界溫度已經更新到2020年10月。
編輯評論/注釋
2020年10月14日，一篇關于超高壓下室溫超導觀測的論文出現在《自然》的封面上，引起轟動。論文顯示，在267萬個大氣壓的壓力下，一種氫化物材料在室溫下是超導的，溫度約為15攝氏度。
什么是超導？超導的研究經歷了什么？為什么室溫超導如此受關注？科學院物理研究所副研究員羅在2014年撰文，描述了鐵基高溫超導的發現和研究如何推動人們 美國對高溫超導的認識，以及科學家的貢獻。
原標題是 鐵基超導前世 ，首次發表于《《物理》》雜志2014年第43卷第7期?！吨R分子》被授權轉載。
執筆|羅
從2008年凝聚態物理中的鐵基高溫超導熱潮開始，鐵基超導的科學研究已經進入了第六個年頭(注:本文發表于2014年，到2020年就12年了)，已經發表了上萬篇鐵基超導的研究論文。截至2013年2月，全球鐵基超導研究領域前20篇被引用論文中，有9篇來自。鐵基超導仍然是凝聚態物理基礎研究中的前沿科學之一，吸引著世界上許多杰出科學家的關注。
為什么鐵基超導如此特殊？它的發現對基礎物理研究有什么樣的重要影響？人在鐵基超導的洪流中扮演了什么角色？本文將為你一一揭秘鐵基超導的前世。
19世紀末20世紀初，人們在氣體理論的指導下，在實驗室里液化了各種氣體，創下了一系列低溫紀錄。直到1908年7月10日，荷蘭萊頓大學的恩尼斯等人成功地液化了最后一種 頑固的氣體 氦，并確立了液氦的沸點為4.2 k(在熱力學溫標中，0 k對應于273.2℃，4.2 k相當于269℃)，從而開啟了低溫物理研究的新篇章(見圖1)。
1911年4月8日，阿尼斯等人試圖研究金屬在低溫下的電阻行為。當他們將金屬汞冷卻到4.2 k時，發現其電阻突然下降到儀器測量范圍內的最小值(105ω)，以至于電阻降為零(見圖2)。anis把這種物理現象稱為超導性，意思是超導電性。他本人也因成功制備液氦和發現超導而獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。此后，人們發現許多單質金屬及其合金在低溫下是超導體，一些非金屬單質在高壓等特殊條件下也是超導體。在元素周期表中，除了除了一些磁性元素、惰性氣體、放射性重元素和一些堿金屬外，很多元素都是超導體。
1933年，德國物理學家邁斯納通過實驗發現，超導體有自己的特性，與假設的理想金屬導體有很大不同(低溫下電阻逐漸下降到零)。即超導體除了電阻為零之外，還有另一個獨立的神奇性質——完全抗磁性。一旦超導體進入超導狀態，就像武俠英雄訓練出的 金鐘罩和鐵布衫 ，外部磁場可以 根本進不去，物質內部的磁感應強度為零。判斷一種材料是否屬于超導體，必須具備兩個獨立的特征:電阻為零和完全抗磁性。
用電阻為零的超導材料代替常規的有電阻的金屬材料，可以節省大量電力傳輸帶來的熱量損失；可以設置超導發電機、變壓器和儲能環；可以在很小的空間內實現強磁場，從而獲得高分辨率的核磁共振成像，研究極端條件下的物理性質，開發安全高速的磁懸浮列車。
超導磁體在基礎物理實驗中有著不可替代的應用。例如，超導磁體被廣泛用于發現希格斯玻色子的歐洲大型強子加速器(lhc)的加速通道和探測器中。未來能源之星國際熱核實驗反應堆(iter)依靠超導磁體來約束核聚變，以實現可控目的。超導磁體廣泛應用于凝聚態物理和生物物理。但在日常生活中，超導體的名聲遠不如半導體。為什么？一般來說，半導體可以在室溫下使用，但超導體往往需要非常低的溫度環境(低于其超導臨界溫度)，這就要依靠昂貴的液氦或其他低溫設備來維持，這就大大增加了超導應用的成本。解決這個問題的關鍵是找到臨界溫度更高的超導體，尤其是室溫超導體——這是所有超導研究者的終極夢想。
圖1各種氣體的沸點
圖2金屬汞的電阻在4.2 k時突然降到零。
除了尋找具有更高臨界溫度的超導材料，從事超導研究的物理學家還承擔著另一項重要的科學任務解釋為什么電子可以 自由行走從微觀層面來看。包括愛因斯坦、玻爾、費曼在內的世界上很多頂尖的智慧物理學家都試圖完成這個任務，但都失敗了。在超導發現46年后的1957年，三位美國物理學家成功建立了常規金屬超導的微觀理論，并以他們(巴丁、庫珀和施里弗)的名字將這一理論命名為bcs理論。
根據bcs理論，除了眾所周知的庫侖排斥之外，常規金屬合金中的自由電子可以間接產生微弱的吸引相互作用。因為固體材料中的原子總是在平衡位置附近振動，原子核及其內部電子形成的帶正電的原子經過時實際上會帶負電。兩個電子之間有相互吸引的作用，所以后一個通過的電子將 感覺 馬克 是由前面經過的電子引起的，即它們之間存在間接的相互作用，其介質是聲子，一種周期性排列的原子產生的熱振動能量量子。如果兩個電子運動方向相反(動量相反)，那么它們與周圍原子現實的相互作用可以等效為它們之間的一種弱吸引相互作用，就像兩個跳舞的人在冰面上互相扔球，導致了材料中電子的配對。成對的電子對也被稱為庫珀對。如果所有的庫珀對在運動過程中保持步調一致，那么配對電子即使受到運動的阻礙也會有升有降，這樣整個配對自由電子群就可以保證能量損失為零，從而達到零阻態。
雖然bcs理論用 電子配對，不厭倦工作，其創新而大膽的想法遲遲不被人們接受，直到多年后才被實驗證實，并于1972年被授予諾貝爾物理學獎。作為唯一兩次獲得諾貝爾物理學獎的人，巴丁早在1956年就因發明半導體晶體管而獲獎，在半導體和超導體領域做出了巨大的科學貢獻。有了理論的指導，似乎臨界溫度更高的超導體也能跟著圖走。然而，興奮的實驗物理學家只在nb3ge合金中發現了23.2 k超導，超導探索之路持續了60多年，就像烏龜踱步，路漫漫其修遠兮，修遠不止(見圖3)。
黎明在哪里？凝聚態理論物理學家又一次無情地潑了一大瓢冷水——基于bcs理論框架，他們計算出所有金屬合金超導體的臨界溫度都存在一個40 k的理論上限，這個上限被稱為麥克米蘭極限。這是因為金屬原子真實熱振動的中間介質能量是有上限的。要獲得40 k以上的超導性，原子組成的周期晶格最終會熔化。40 k，從300 k附近的室溫來看似乎遙不可及，但這會是不可逾越的障礙嗎？
圖3超導體的發現年齡和臨界溫度已經更新到2020年10月。
幸運的是，實驗物理學家并沒有因此而放棄夢想。他們一直在努力工作。直到今天，人們還在不斷發現新的超導材料。
研究表明，大多數非磁性金屬元素在足夠低的溫度下都可以超導。當這些元素形成合金時，臨界溫度會更高。他們統稱為 金屬合金超導體 。雖然某些金屬化合物中的電子看起來是電子重 (電子的有效質量大)，它們可以實現超導，被歸類為 重費米子超導體 。c60和堿金屬的化合物，甚至一些有機材料，也是超導體，被歸類為 有機超導體 更令人欣慰的是，許多通常被認為導電性差的金屬氧化物(如氧化鈦、氧化鈮、氧化鉍、釕)氧化物、氧化鈷等。)也是超導體。超導幾乎處處存在于各種形態的簡單物質和化合物中！因為 條條大路通超導 ，物理學家開始了更大膽的探索，在通常被視為絕緣體的氧化銅陶瓷材料中尋找可能的超導性。
從1986年開始，曙光終于沖破迷霧。瑞士蘇黎士ibm公司的兩位工程師伯諾茲和繆勒發現labacuo系統中可能存在35 k的超導性。雖然臨界溫度尚未超過40 k，但35 k是當時所有超導體臨界溫度的新紀錄，為此伯諾茲和繆勒獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。一場攀登超導高峰的戰斗就這樣開始了，包括許多人和科學家。
1987年2月，美國休斯頓大學的朱經武、吳茂昆和科學院物理研究所的趙忠賢獨立發現ybacuo體系存在90 k以上的臨界溫度，超導研究首次成功突破液氮溫區(液氮的沸點為77 k)。使用更廉價的液氮將大大降低超導的應用成本，使超導的大規模應用和深入科學研究成為可能。因此，趙忠賢 這個研究小組獲得了1989年國家自然科學一等獎。在接下來的十年里，超導的臨界溫度記錄像火箭一樣上升。目前世界上臨界溫度最高的超導體是hgbacacuo系(大氣壓下135 k，高壓下164 k)，是朱經武研究組在1994年設定的(見圖3)。因為銅氧化物超導體的臨界溫度遠遠超過40 k的麥克米蘭極限，所以統稱為 高溫超導體 (這里的高溫其實只是相對于金屬合金超導體的較低臨界溫度而言)。
氧化銅hts家族有很多亞成員，按元素分為汞系、鉈系、鉍系、釔系、鑭系等。按載體形式可分為空穴型和電子型兩大類；根據晶體結構中所含cuo表層的數量，可分為單層、雙層、三層和無限層。隨著實驗研究的發展，人們很快意識到氧化銅高溫超導體(或銅基超導體)無法用傳統的bcs超導微觀理論來描述。要獲得如此高的臨界溫度，僅僅通過原子熱振動作為中間體來形成配對電子是不夠的。此外，還發現重費米子超導體、有機超導體和某些氧化物超導體可以 不能用bcs理論來描述。雖然電子配對的概念依然成立，但是有很多奇怪的配對，配對介質，配對。無法用傳統bcs理論描述的超導體也被稱為 非常規超導體 ，不同于 傳統超導體 可以用bcs理論來描述。也就是說，所有的高溫超導體都屬于 非常規超導體 。
有趣的是，2001年的這一天我們的科學家在二硼化鎂(mgb2)中發現了39 k的超導性，后來被證明是一種常規超導體。目前發現的臨界溫度最高的常規超導體，距離40 k的上限只有一步之遙..之所以能達到這么高的臨界溫度，是因為這種超導材料中的多種電子參與了超導電子配對，也叫多帶超導體(見圖4)。由于它是傳統的超導體，40 k的麥克米蘭極限也適用于二硼化鎂。十多年來，物理學家們一直無法突破這個 緊箍咒 無論如何摻雜或加壓mgb2。由此可見，要找到一種40 k以上的高溫超導材料有多難！
圖4二硼化鎂、鐵基超導材料和銅基超導材料的典型結構和費米表面。
高溫超導體的發現，在當時沉悶的超導研究領域敲響了一聲春雷，人們對超導的未來發展充滿了期待。然而現實總是殘酷的，似乎觸手可及的室溫超導夢想卡在了164 k的世界紀錄上，再往上挪半步也不再困難。當人們試圖大規模推廣高溫超導高壓在液氮溫區的應用技術時，發現其實是 丑陋無用的 。氧化銅本質上是一種陶瓷材料，機械性能脆弱，缺乏柔性和延展性，在物理上臨界電流密度太小，在承載大電流時容易失去超導性而迅速發熱。科學家們努力了20多年，雖然氧化銅超導線圈已經開始進入市場，但是超導高壓的大部分應用還是在常規的金屬合金超導體上。
然而，塞翁失馬焉知非福。銅基超導的弱電應用近年來發展迅速，已成為超導應用的一大分支。用銅基超導材料制成的超導量子干涉儀是目前世界上最靈敏的磁探測技術，也是超導量子比特的基本單元。未來世界上可能會出現以超導量子比特為單位的量子計算機——基于量子力學的高速計算機。由氧化銅超導薄膜制成的超導微波器件正在走向商業化和市場化。你正在使用的3g或4g手機，其通信基站很可能使用了高信噪比的超導濾波器。這些高性能微波器件在軍事裝備、衛星通信、航空航天等領域也很有用。因為銅基超導體是非常規超導體中最特殊的，所以也具有非常重要的基礎研究價值。高溫超導的微觀機制已經成為凝聚態物理皇冠上的明珠之一。
挑戰遠比預期的困難。人們發現，高溫超導體中很多新奇的物理現象可能是目前物理學理論體系無法理解的，而最麻煩的是這類材料中的電子之間存在強關聯效應，成為強關聯體系。經過近30年的奮斗，人們對銅基超導體達成共識的研究結論很少，更多的是充滿爭議和困惑。用理論來指導尋找具有更高臨界溫度的超導體幾乎是瘋狂的，但是實驗物理學家只能憑經驗和感覺大海撈針。
2008年3月1日至5日，一批活躍在超導研究前沿的科學家齊聚科學院物理研究所，參加了2008 高溫超導機理研究與應用態勢評估研討會；探索高溫超導研究失落的未來，試圖找到銅基高溫超導研究的突破點。而此時，位于合肥的物理所超導實驗室和極端條件實驗室，已經悄然走在了超導研究改革的前沿。
2008年2月23日，西野秀夫 美國的研究小組報道在摻氟的lafeaso體系中存在26 k的超導性。我國科學家一得到消息就合成了這種物質，并對其物理性質進行了研究。其中，物理所和中科大的研究人員通過稀土替代法獲得了一系列高質量的樣品，驚喜地發現其臨界溫度超過了40 k，優化合成方法后可以獲得55 k的高臨界溫度。新一代高溫超導體——鐵基高溫超導體誕生了。
這一次，從發現新的超導體到臨界溫度突破麥克米蘭極限，用了不到三個月的時間，幾乎以天為單位不斷更新新的超導記錄。隨后的幾年里，不斷發現砷化鐵、硒化鐵等新的鐵基超導體系。典型的前驅體如lafeaso、bafe2as2、lifeas、fese等。這些材料可以通過幾乎所有原子位置的不同摻雜獲得超導性，我國科學家發現了大量的鐵基超導體系(見圖5和圖6)。
圖5鐵基超導體的發現時間及其超導臨界溫度。
圖6發現鐵基超導的典型母體結構。
根據鐵基超導材料(堿金屬或堿土金屬、稀土金屬、過渡金屬、磷族元素、氧族元素)的基本組合規則，粗略估計有3000多種家族成員，而今天發現的體系只有9根牛一毛，真的是迄今為止最大的超導家族。鐵基高溫超導體的發現無疑注入了一股前所未有的 強心劑 投入到當時幾乎被壓抑的高溫超導體研究中，持續了一百多年的超導研究從此煥發了新一輪的青春活力。
作為僅次于銅基超導體的第二大高溫超導體家族，鐵基超導體具有更豐富的物理性質和更大的潛在應用價值。它與銅基超導體有著類似的關系，其晶體結構、磁結構和電子相圖都非常相似(見圖7)。但在電子結構上屬于像二硼化鎂一樣的多能帶超導體(見圖4)。它的基體更具金屬性，與絕緣的氧化銅基體完全不同(氧化銅只有摻雜后才呈現金屬性)；目前已經證實電子配對的概念仍然適用，在配對介質上可能類似于銅基超導體，但配對更接近于傳統的金屬超導體。
基本上鐵基超導體更像是銅基超導體和傳統金屬超導體之間的橋梁，使人們有可能 摸著橋過河從已知的常規超導機制到原本模糊的銅基高溫超導機制(見圖4)。通過多年來在銅基超導研究方面的經驗和技術積累，鐵基超導發現后，超導的實驗技術和理論基礎研究的進展較銅基超導有了很大的加快。目前，近6年的研究成果幾乎可以媲美銅基超導近30年的研究成果，甚至在某些方面超越了以往對高溫超導的認識，高溫超導微觀機制的研究遇到了前所未有的良好機遇。
在應用中，鐵基超導體因其金屬特性更容易加工成線材和帶材，所能承載的上臨界磁場/臨界電流與銅基超導體相當，甚至可能更優越。當然，鐵基超導材料的制備大多數情況下需要砷化合物和堿金屬或堿土金屬，其毒性很強，對空氣極其敏感，這對材料的制備技術和安全性提出了更高的要求。
在超導的弱電應用中，鐵基超導還處于起步階段，與銅基超導成熟的弱電應用相差甚遠。從材料的角度來看，鐵基超導體更加靈活多變，大大拓展了高溫超導體的研究空間，很多實驗現象也可以在不同的體系中進行比較，從而得出更具普適性的結論。如前所述，在鐵基母體材料中幾乎任何原子位置摻雜不同價態甚至相同價態的元素都可以實現超導，不同體系材料的超導性也隨外壓的變化而變化。
更有趣的是，日本科學家還發現，浸泡在各種酒里的母體材料也可以超導。這真的是 醉酒的意義不是酒，而是超導！ 鐵基超導體的發現極大地鼓舞了超導材料探索者的信心，正如發現二硼化鎂的日本科學家所說: 我相信世界上所有的材料都有可能成為超導體，只要達到足夠多的載流子，足夠強的壓力或者足夠低的溫度等外界條件，就有希望實現超導！ (比如根據bcs理論，如果金、銀、銅等簡單物質都是超導的，那么它們的臨界溫度就非常接近絕對零度。)
圖7銅基超導體和鐵基超導體有相似的電子態相圖。
在含鐵化合物中發現高溫超導性本身就是一個突破，因為一般認為鐵離子具有磁性，會極大破壞超導性。出乎意料的是，在砷化鐵基體中摻雜磁性離子(如鈷、鎳)會誘發超導。鐵基超導的發現證明了磁性和超導其實是可以和平共存的，新超導體的發現往往打破常規。
2001年，科學家發現非磁性元素鐵在高壓下會出現超導性。令人驚訝的是，在2008年之前，含鐵合金或化合物超導材料有1種。0多種，從這個角度來說，鐵基超導一點都不稀奇！
但是，新超導體的發現確實需要機遇，運氣和長期的經驗積累。日本的hideo nishino起初并不研究超導，但他的研究小組一直致力于尋找透明導電氧化物材料。早在2000年左右，他就開始尋找lacuso、lamnpo等結構相似的導電材料，并在2006年意外發現lafepo材料中存在約3 k的超導性，隨后意識到la feso化合物中也可能存在超導性。通過摻雜氟，
關于鐵基超導，有幾個有趣的史實。從1977年到1995年，德國科學家w. jeitschko的研究組一直在研究與lafepo結構相似的化合物，他們先后合成了磷化鐵、磷化鈷和磷化釕。2000年，同樣晶體結構的稀土砷化鐵也制備成功。遺憾的是，他們并沒有進一步用氟替代摻雜，只是與新超導體的發現擦肩而過。更令人印象深刻的是鐵基超導體(如eufe2as2、kfe2as2、rbfe2as2、csf《科學》雜志報道的那樣的研究成果；;的不斷涌現表明已經成為凝聚態物理領域的強國。 2008年，鐵基超導被多家媒體評為世界十大科學進展之一，鐵基超導研究團隊獲得 尋求杰出科學成就集體獎2009年和2013年國家自然科學一等獎，極大地鼓舞了鐵基超導相關研究人員的信心。
從1911年發現常規金屬超導體到1957年建立bcs超導微觀理論，常規超導機制的求解走過了46年的漫長歷程。如今，距離1986年發現高溫超導體已經過去了近30年。隨著2008年鐵基超導體的發現，高溫超導體機理的研究開始加速，普遍認為建立高溫超導體微觀理論的目標已經不遠。
在新型超導材料的探索中，幾乎每年都會發現很多新型超導材料。雖然大部分臨界溫度都在40 k以下，但其中所展現出的新奇的物理性質還是值得人們關注的?？茖W家仔細研究這種 出乎意料和不合理的 鐵基超導可能再次誕生的驚喜。誰也不能否認，在不久的將來，室溫超導的終極夢想可能會實現，甚至被廣泛應用。屆時，我們生活的世界將發生翻天覆地的變化，其中來自的科學家的貢獻將永遠值得銘記。
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超導體的發現年齡和臨界溫度已經更新到2020年10月。
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2020年10月14日，一篇關于超高壓下室溫超導觀測的論文出現在《自然》的封面上，引起轟動。論文顯示，在267萬個大氣壓的壓力下，一種氫化物材料在室溫下是超導的，溫度約為15攝氏度。
什么是超導？超導的研究經歷了什么？為什么室溫超導如此受關注？科學院物理研究所副研究員羅在2014年撰文，描述了鐵基高溫超導的發現和研究如何推動人們 美國對高溫超導的認識，以及科學家的貢獻。
原標題是 鐵基超導前世 ，首次發表于《《物理》》雜志2014年第43卷第7期?！吨R分子》被授權轉載。
執筆|羅
從2008年凝聚態物理中的鐵基高溫超導熱潮開始，鐵基超導的科學研究已經進入了第六個年頭(注:本文發表于2014年，到2020年就12年了)，已經發表了上萬篇鐵基超導的研究論文。截至2013年2月，全球鐵基超導研究領域前20篇被引用論文中，有9篇來自。鐵基超導仍然是凝聚態物理基礎研究中的前沿科學之一，吸引著世界上許多杰出科學家的關注。
為什么鐵基超導如此特殊？它的發現對基礎物理研究有什么樣的重要影響？人在鐵基超導的洪流中扮演了什么角色？本文將為你一一揭秘鐵基超導的前世。
19世紀末20世紀初，人們在氣體理論的指導下，在實驗室里液化了各種氣體，創下了一系列低溫紀錄。直到1908年7月10日，荷蘭萊頓大學的恩尼斯等人成功地液化了最后一種 頑固的氣體 氦，并確立了液氦的沸點為4.2 k(在熱力學溫標中，0 k對應于273.2℃，4.2 k相當于269℃)，從而開啟了低溫物理研究的新篇章(見圖1)。
1911年4月8日，阿尼斯等人試圖研究金屬在低溫下的電阻行為。當他們將金屬汞冷卻到4.2 k時，發現其電阻突然下降到儀器測量范圍內的最小值(105ω)，以至于電阻降為零(見圖2)。anis把這種物理現象稱為超導性，意思是超導電性。他本人也因成功制備液氦和發現超導而獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。此后，人們發現許多單質金屬及其合金在低溫下是超導體，一些非金屬單質在高壓等特殊條件下也是超導體。在元素周期表中，除了除了一些磁性元素、惰性氣體、放射性重元素和一些堿金屬外，很多元素都是超導體。
1933年，德國物理學家邁斯納通過實驗發現，超導體有自己的特性，與假設的理想金屬導體有很大不同(低溫下電阻逐漸下降到零)。即超導體除了電阻為零之外，還有另一個獨立的神奇性質——完全抗磁性。一旦超導體進入超導狀態，就像武俠英雄訓練出的 金鐘罩和鐵布衫 ，外部磁場可以 根本進不去，物質內部的磁感應強度為零。判斷一種材料是否屬于超導體，必須具備兩個獨立的特征:電阻為零和完全抗磁性。
用電阻為零的超導材料代替常規的有電阻的金屬材料，可以節省大量電力傳輸帶來的熱量損失；可以設置超導發電機、變壓器和儲能環；可以在很小的空間內實現強磁場，從而獲得高分辨率的核磁共振成像，研究極端條件下的物理性質，開發安全高速的磁懸浮列車。
超導磁體在基礎物理實驗中有著不可替代的應用。例如，超導磁體被廣泛用于發現希格斯玻色子的歐洲大型強子加速器(lhc)的加速通道和探測器中。未來能源之星國際熱核實驗反應堆(iter)依靠超導磁體來約束核聚變，以實現可控目的。超導磁體廣泛應用于凝聚態物理和生物物理。但在日常生活中，超導體的名聲遠不如半導體。為什么？一般來說，半導體可以在室溫下使用，但超導體往往需要非常低的溫度環境(低于其超導臨界溫度)，這就要依靠昂貴的液氦或其他低溫設備來維持，這就大大增加了超導應用的成本。解決這個問題的關鍵是找到臨界溫度更高的超導體，尤其是室溫超導體——這是所有超導研究者的終極夢想。
圖1各種氣體的沸點
圖2金屬汞的電阻在4.2 k時突然降到零。
除了尋找具有更高臨界溫度的超導材料，從事超導研究的物理學家還承擔著另一項重要的科學任務解釋為什么電子可以 自由行走從微觀層面來看。包括愛因斯坦、玻爾、費曼在內的世界上很多頂尖的智慧物理學家都試圖完成這個任務，但都失敗了。在超導發現46年后的1957年，三位美國物理學家成功建立了常規金屬超導的微觀理論，并以他們(巴丁、庫珀和施里弗)的名字將這一理論命名為bcs理論。
根據bcs理論，除了眾所周知的庫侖排斥之外，常規金屬合金中的自由電子可以間接產生微弱的吸引相互作用。因為固體材料中的原子總是在平衡位置附近振動，原子核及其內部電子形成的帶正電的原子經過時實際上會帶負電。兩個電子之間有相互吸引的作用，所以后一個通過的電子將 感覺 馬克 是由前面經過的電子引起的，即它們之間存在間接的相互作用，其介質是聲子，一種周期性排列的原子產生的熱振動能量量子。如果兩個電子運動方向相反(動量相反)，那么它們與周圍原子現實的相互作用可以等效為它們之間的一種弱吸引相互作用，就像兩個跳舞的人在冰面上互相扔球，導致了材料中電子的配對。成對的電子對也被稱為庫珀對。如果所有的庫珀對在運動過程中保持步調一致，那么配對電子即使受到運動的阻礙也會有升有降，這樣整個配對自由電子群就可以保證能量損失為零，從而達到零阻態。
雖然bcs理論用 電子配對，不厭倦工作，其創新而大膽的想法遲遲不被人們接受，直到多年后才被實驗證實，并于1972年被授予諾貝爾物理學獎。作為唯一兩次獲得諾貝爾物理學獎的人，巴丁早在1956年就因發明半導體晶體管而獲獎，在半導體和超導體領域做出了巨大的科學貢獻。有了理論的指導，似乎臨界溫度更高的超導體也能跟著圖走。然而，興奮的實驗物理學家只在nb3ge合金中發現了23.2 k超導，超導探索之路持續了60多年，就像烏龜踱步，路漫漫其修遠兮，修遠不止(見圖3)。
黎明在哪里？凝聚態理論物理學家又一次無情地潑了一大瓢冷水——基于bcs理論框架，他們計算出所有金屬合金超導體的臨界溫度都存在一個40 k的理論上限，這個上限被稱為麥克米蘭極限。這是因為金屬原子真實熱振動的中間介質能量是有上限的。要獲得40 k以上的超導性，原子組成的周期晶格最終會熔化。40 k，從300 k附近的室溫來看似乎遙不可及，但這會是不可逾越的障礙嗎？
圖3超導體的發現年齡和臨界溫度已經更新到2020年10月。
幸運的是，實驗物理學家并沒有因此而放棄夢想。他們一直在努力工作。直到今天，人們還在不斷發現新的超導材料。
研究表明，大多數非磁性金屬元素在足夠低的溫度下都可以超導。當這些元素形成合金時，臨界溫度會更高。他們統稱為 金屬合金超導體 。雖然某些金屬化合物中的電子看起來是電子重 (電子的有效質量大)，它們可以實現超導，被歸類為 重費米子超導體 。c60和堿金屬的化合物，甚至一些有機材料，也是超導體，被歸類為 有機超導體 更令人欣慰的是，許多通常被認為導電性差的金屬氧化物(如氧化鈦、氧化鈮、氧化鉍、釕)氧化物、氧化鈷等。)也是超導體。超導幾乎處處存在于各種形態的簡單物質和化合物中！因為 條條大路通超導 ，物理學家開始了更大膽的探索，在通常被視為絕緣體的氧化銅陶瓷材料中尋找可能的超導性。
從1986年開始，曙光終于沖破迷霧。瑞士蘇黎士ibm公司的兩位工程師伯諾茲和繆勒發現labacuo系統中可能存在35 k的超導性。雖然臨界溫度尚未超過40 k，但35 k是當時所有超導體臨界溫度的新紀錄，為此伯諾茲和繆勒獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。一場攀登超導高峰的戰斗就這樣開始了，包括許多人和科學家。
1987年2月，美國休斯頓大學的朱經武、吳茂昆和科學院物理研究所的趙忠賢獨立發現ybacuo體系存在90 k以上的臨界溫度，超導研究首次成功突破液氮溫區(液氮的沸點為77 k)。使用更廉價的液氮將大大降低超導的應用成本，使超導的大規模應用和深入科學研究成為可能。因此，趙忠賢 這個研究小組獲得了1989年國家自然科學一等獎。在接下來的十年里，超導的臨界溫度記錄像火箭一樣上升。目前世界上臨界溫度最高的超導體是hgbacacuo系(大氣壓下135 k，高壓下164 k)，是朱經武研究組在1994年設定的(見圖3)。因為銅氧化物超導體的臨界溫度遠遠超過40 k的麥克米蘭極限，所以統稱為 高溫超導體 (這里的高溫其實只是相對于金屬合金超導體的較低臨界溫度而言)。
氧化銅hts家族有很多亞成員，按元素分為汞系、鉈系、鉍系、釔系、鑭系等。按載體形式可分為空穴型和電子型兩大類；根據晶體結構中所含cuo表層的數量，可分為單層、雙層、三層和無限層。隨著實驗研究的發展，人們很快意識到氧化銅高溫超導體(或銅基超導體)無法用傳統的bcs超導微觀理論來描述。要獲得如此高的臨界溫度，僅僅通過原子熱振動作為中間體來形成配對電子是不夠的。此外，還發現重費米子超導體、有機超導體和某些氧化物超導體可以 不能用bcs理論來描述。雖然電子配對的概念依然成立，但是有很多奇怪的配對，配對介質，配對。無法用傳統bcs理論描述的超導體也被稱為 非常規超導體 ，不同于 傳統超導體 可以用bcs理論來描述。也就是說，所有的高溫超導體都屬于 非常規超導體 。
有趣的是，2001年的這一天我們的科學家在二硼化鎂(mgb2)中發現了39 k的超導性，后來被證明是一種常規超導體。目前發現的臨界溫度最高的常規超導體，距離40 k的上限只有一步之遙..之所以能達到這么高的臨界溫度，是因為這種超導材料中的多種電子參與了超導電子配對，也叫多帶超導體(見圖4)。由于它是傳統的超導體，40 k的麥克米蘭極限也適用于二硼化鎂。十多年來，物理學家們一直無法突破這個 緊箍咒 無論如何摻雜或加壓mgb2。由此可見，要找到一種40 k以上的高溫超導材料有多難！
圖4二硼化鎂、鐵基超導材料和銅基超導材料的典型結構和費米表面。
高溫超導體的發現，在當時沉悶的超導研究領域敲響了一聲春雷，人們對超導的未來發展充滿了期待。然而現實總是殘酷的，似乎觸手可及的室溫超導夢想卡在了164 k的世界紀錄上，再往上挪半步也不再困難。當人們試圖大規模推廣高溫超導高壓在液氮溫區的應用技術時，發現其實是 丑陋無用的 。氧化銅本質上是一種陶瓷材料，機械性能脆弱，缺乏柔性和延展性，在物理上臨界電流密度太小，在承載大電流時容易失去超導性而迅速發熱。科學家們努力了20多年，雖然氧化銅超導線圈已經開始進入市場，但是超導高壓的大部分應用還是在常規的金屬合金超導體上。
然而，塞翁失馬焉知非福。銅基超導的弱電應用近年來發展迅速，已成為超導應用的一大分支。用銅基超導材料制成的超導量子干涉儀是目前世界上最靈敏的磁探測技術，也是超導量子比特的基本單元。未來世界上可能會出現以超導量子比特為單位的量子計算機——基于量子力學的高速計算機。由氧化銅超導薄膜制成的超導微波器件正在走向商業化和市場化。你正在使用的3g或4g手機，其通信基站很可能使用了高信噪比的超導濾波器。這些高性能微波器件在軍事裝備、衛星通信、航空航天等領域也很有用。因為銅基超導體是非常規超導體中最特殊的，所以也具有非常重要的基礎研究價值。高溫超導的微觀機制已經成為凝聚態物理皇冠上的明珠之一。
挑戰遠比預期的困難。人們發現，高溫超導體中很多新奇的物理現象可能是目前物理學理論體系無法理解的，而最麻煩的是這類材料中的電子之間存在強關聯效應，成為強關聯體系。經過近30年的奮斗，人們對銅基超導體達成共識的研究結論很少，更多的是充滿爭議和困惑。用理論來指導尋找具有更高臨界溫度的超導體幾乎是瘋狂的，但是實驗物理學家只能憑經驗和感覺大海撈針。
2008年3月1日至5日，一批活躍在超導研究前沿的科學家齊聚科學院物理研究所，參加了2008 高溫超導機理研究與應用態勢評估研討會；探索高溫超導研究失落的未來，試圖找到銅基高溫超導研究的突破點。而此時，位于合肥的物理所超導實驗室和極端條件實驗室，已經悄然走在了超導研究改革的前沿。
2008年2月23日，西野秀夫 美國的研究小組報道在摻氟的lafeaso體系中存在26 k的超導性。我國科學家一得到消息就合成了這種物質，并對其物理性質進行了研究。其中，物理所和中科大的研究人員通過稀土替代法獲得了一系列高質量的樣品，驚喜地發現其臨界溫度超過了40 k，優化合成方法后可以獲得55 k的高臨界溫度。新一代高溫超導體——鐵基高溫超導體誕生了。
這一次，從發現新的超導體到臨界溫度突破麥克米蘭極限，用了不到三個月的時間，幾乎以天為單位不斷更新新的超導記錄。隨后的幾年里，不斷發現砷化鐵、硒化鐵等新的鐵基超導體系。典型的前驅體如lafeaso、bafe2as2、lifeas、fese等。這些材料可以通過幾乎所有原子位置的不同摻雜獲得超導性，我國科學家發現了大量的鐵基超導體系(見圖5和圖6)。
圖5鐵基超導體的發現時間及其超導臨界溫度。
圖6發現鐵基超導的典型母體結構。
根據鐵基超導材料(堿金屬或堿土金屬、稀土金屬、過渡金屬、磷族元素、氧族元素)的基本組合規則，粗略估計有3000多種家族成員，而今天發現的體系只有9根牛一毛，真的是迄今為止最大的超導家族。鐵基高溫超導體的發現無疑注入了一股前所未有的 強心劑 投入到當時幾乎被壓抑的高溫超導體研究中，持續了一百多年的超導研究從此煥發了新一輪的青春活力。
作為僅次于銅基超導體的第二大高溫超導體家族，鐵基超導體具有更豐富的物理性質和更大的潛在應用價值。它與銅基超導體有著類似的關系，其晶體結構、磁結構和電子相圖都非常相似(見圖7)。但在電子結構上屬于像二硼化鎂一樣的多能帶超導體(見圖4)。它的基體更具金屬性，與絕緣的氧化銅基體完全不同(氧化銅只有摻雜后才呈現金屬性)；目前已經證實電子配對的概念仍然適用，在配對介質上可能類似于銅基超導體，但配對更接近于傳統的金屬超導體。
基本上鐵基超導體更像是銅基超導體和傳統金屬超導體之間的橋梁，使人們有可能 摸著橋過河從已知的常規超導機制到原本模糊的銅基高溫超導機制(見圖4)。通過多年來在銅基超導研究方面的經驗和技術積累，鐵基超導發現后，超導的實驗技術和理論基礎研究的進展較銅基超導有了很大的加快。目前，近6年的研究成果幾乎可以媲美銅基超導近30年的研究成果，甚至在某些方面超越了以往對高溫超導的認識，高溫超導微觀機制的研究遇到了前所未有的良好機遇。
在應用中，鐵基超導體因其金屬特性更容易加工成線材和帶材，所能承載的上臨界磁場/臨界電流與銅基超導體相當，甚至可能更優越。當然，鐵基超導材料的制備大多數情況下需要砷化合物和堿金屬或堿土金屬，其毒性很強，對空氣極其敏感，這對材料的制備技術和安全性提出了更高的要求。
在超導的弱電應用中，鐵基超導還處于起步階段，與銅基超導成熟的弱電應用相差甚遠。從材料的角度來看，鐵基超導體更加靈活多變，大大拓展了高溫超導體的研究空間，很多實驗現象也可以在不同的體系中進行比較，從而得出更具普適性的結論。如前所述，在鐵基母體材料中幾乎任何原子位置摻雜不同價態甚至相同價態的元素都可以實現超導，不同體系材料的超導性也隨外壓的變化而變化。
更有趣的是，日本科學家還發現，浸泡在各種酒里的母體材料也可以超導。這真的是 醉酒的意義不是酒，而是超導！ 鐵基超導體的發現極大地鼓舞了超導材料探索者的信心，正如發現二硼化鎂的日本科學家所說: 我相信世界上所有的材料都有可能成為超導體，只要達到足夠多的載流子，足夠強的壓力或者足夠低的溫度等外界條件，就有希望實現超導！ (比如根據bcs理論，如果金、銀、銅等簡單物質都是超導的，那么它們的臨界溫度就非常接近絕對零度。)
圖7銅基超導體和鐵基超導體有相似的電子態相圖。
在含鐵化合物中發現高溫超導性本身就是一個突破，因為一般認為鐵離子具有磁性，會極大破壞超導性。出乎意料的是，在砷化鐵基體中摻雜磁性離子(如鈷、鎳)會誘發超導。鐵基超導的發現證明了磁性和超導其實是可以和平共存的，新超導體的發現往往打破常規。
2001年，科學家發現非磁性元素鐵在高壓下會出現超導性。令人驚訝的是，在2008年之前，含鐵合金或化合物超導材料有1種。0多種，從這個角度來說，鐵基超導一點都不稀奇！
但是，新超導體的發現確實需要機遇，運氣和長期的經驗積累。日本的hideo nishino起初并不研究超導，但他的研究小組一直致力于尋找透明導電氧化物材料。早在2000年左右，他就開始尋找lacuso、lamnpo等結構相似的導電材料，并在2006年意外發現lafepo材料中存在約3 k的超導性，隨后意識到la feso化合物中也可能存在超導性。通過摻雜氟，
關于鐵基超導，有幾個有趣的史實。從1977年到1995年，德國科學家w. jeitschko的研究組一直在研究與lafepo結構相似的化合物，他們先后合成了磷化鐵、磷化鈷和磷化釕。2000年，同樣晶體結構的稀土砷化鐵也制備成功。遺憾的是，他們并沒有進一步用氟替代摻雜，只是與新超導體的發現擦肩而過。更令人印象深刻的是鐵基超導體(如eufe2as2、kfe2as2、rbfe2as2、csf《科學》雜志報道的那樣的研究成果；;的不斷涌現表明已經成為凝聚態物理領域的強國。 2008年，鐵基超導被多家媒體評為世界十大科學進展之一，鐵基超導研究團隊獲得 尋求杰出科學成就集體獎2009年和2013年國家自然科學一等獎，極大地鼓舞了鐵基超導相關研究人員的信心。
從1911年發現常規金屬超導體到1957年建立bcs超導微觀理論，常規超導機制的求解走過了46年的漫長歷程。如今，距離1986年發現高溫超導體已經過去了近30年。隨著2008年鐵基超導體的發現，高溫超導體機理的研究開始加速，普遍認為建立高溫超導體微觀理論的目標已經不遠。
在新型超導材料的探索中，幾乎每年都會發現很多新型超導材料。雖然大部分臨界溫度都在40 k以下，但其中所展現出的新奇的物理性質還是值得人們關注的?？茖W家仔細研究這種 出乎意料和不合理的 鐵基超導可能再次誕生的驚喜。誰也不能否認，在不久的將來，室溫超導的終極夢想可能會實現，甚至被廣泛應用。屆時，我們生活的世界將發生翻天覆地的變化，其中來自的科學家的貢獻將永遠值得銘記。
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